Contribución al desarrollo tecnológico de transistores hemt de algan/gan

Resumen

Los transistores basados en nitruros se han convertido en poco tiempo en los candidatos idóneos para trabajar a alta temperatura (hasta 500ºC), alta potencia de salida (40 W/mm), bajo ruido y con posibilidad de trabajar a frecuencias altas, que abarcan un amplio espectro (entre 1 y 100 GHz). Esto es debido fundamentalmente a la anchura del gap de estos materiales (GaN 3.4 eV), que les confiere una gran estabilidad térmica y una elevada tensión de ruptura (3 MV/cm), frente a otras tecnologías hasta ahora más usadas. Estas prometedoras características son muy atractivas para muchos sectores industriales, especialmente para su uso en amplificadores de potencia en el rango de microondas y electrónica de potencia de alta eficiencia. Sin embargo, todavía queda mucho por hacer para conseguir una tecnología madura y competitiva, tanto en coste, como en fiabilidad. Uno de los aspectos críticos a combatir es la dispersión de corriente observada en la mayoría de los dispositivos. Esta dispersión ocasiona una caída en la corriente de salida y, por tanto, en potencia al operar en RF. Esta anomalía en el funcionamiento se atribuye a estados de superficie o intercara en la heteroestructura AlGaN/GaN, originados durante el crecimiento del material y/o el proceso de fabricación del dispositivo, aunque siguen sin ser bien conocidos ni controlados. Esta Tesis tiene como objetivo contribuir al desarrollo de los transistores de alta movilidad (HEMT, "High Electron Mobility Transistor") de AlGaN/GaN desde el punto de vista del proceso de fabricación, que es uno de los cuellos de botella para alcanzar las prestaciones estimadas teóricamente. Para ello se han abordado algunos de los puntos más débiles del proceso de fabricación como son: la formación de contactos óhmicos de drenador y fuente, la estabilización térmica del contacto Schottky de puerta y el proceso de pasivación. Este último punto es de especial relevancia y tiene un gran protagonismo en esta Tesis, ya que uno de sus objetivos es mitigar los posibles efectos de colapso que limitan las prestaciones del dispositivo. El desarrollo de esta Tesis ha llevado consigo la fabricación y caracterización de los dispositivos, junto con un seguimiento cuidadoso de cada una de las etapas del mismo, lo que ha permitido identificar de primera mano las dificultades y limitaciones dentro de cada proceso, así como proponer soluciones específicas a los mismos. En el estudio de la formación de los contactos óhmicos (basados en Ti/Al) se ha puesto de manifiesto la gran dificultad que presentan las heteroestructuras de AlGaN/GaN, con barreras de AlGaN no dopadas, para obtener contactos bien definidos y con baja resistencia. En este sentido, se han estudiado algunos de los múltiples parámetros que intervienen en la formación de los contactos óhmicos, como son: espesores de las capas de metales, temperaturas de aleado o los tratamientos superficiales previos. Para ello se han estudiado dos esquemas basados en las multicapas Ti/Al/metal-barrera/Au, utilizando Ti o Ni como metal barrera. En ambos casos se ha analizado su comportamiento eléctrico, morfología superficial y composición. A pesar de las numerosas variables que intervienen en la formación de estos contactos óhmicos, se han obtenido para cada caso unas condiciones y espesores concretos que mejoran los resultados de partida. Otra de las etapas claves en el proceso de fabricación que se ha estudiado durante el desarrollo de esta Tesis ha sido la formación del contacto Schottky de puerta. Se ha analizado la estabilidad del mismo tras ser sometido a diversos test de degradación, tanto por efecto térmico (test de almacenamiento en temperatura), eléctrico (aplicando un punto de polarización al dispositivo), o una combinación de ambos. Las metalizaciones de puerta que se han analizado son: Pt/Ti/Au, Ni/Au, y Mo/Au. A través de este estudio se ha comprobado que el uso de contactos de puerta con metales refractarios, como el esquema Mo/Au, son una opción muy prometedora para garantizar la estabilidad térmica y eléctrica de este tipo de dispositivos, frente a otros esquemas más usados hasta ahora, como Ni/Au o Pt/Ti/Au, ya que son ligeramente más robustos. Además, haciendo uso de un modelo sencillo y suponiendo trampas de un único nivel energético se han podido caracterizar algunas de las trampas generadas tras los test de degradación. En el caso de Ni/Au tras un proceso de almacenamiento térmico a alta temperatura (350ºC) durante 2000 horas se han obtenido trampas con una energía de activación de 340 meV y con tiempos de respuesta de 62 µs. El estudio del proceso de pasivación en el cual se ha invertido un gran esfuerzo a lo largo del desarrollo de esta Tesis se ha enfocado desde dos perspectivas. Por una parte, el estudio de la película dieléctrica que actúa como pasivante (SiN u otras alternativas, como la bicapa SiO2/SiN o Ta2O5), y por otra parte, los tratamientos previos al depósito de SiN, en particular aquellos basados en plasma de N2. En cuanto a la película pasivante, el estudio se ha centrado básicamente en el uso de SiN depositado mediante depósito químico en fase vapor asistido con plasma (PE-CVD), analizando sus características eléctricas, ópticas y de composición en función de las condiciones de depósito. De manera complementaria también se ha analizado el comportamiento eléctrico de los HEMT de AlGaN/GaN, y se han relacionado con los resultados de la caracterización del pasivante. Uno de los resultados más destacados del estudio es que la potencia RF aplicada durante el depósito de SiN puede ser un factor crítico para conseguir una adecuada capa pasivante en los transistores HEMT de AlGaN/GaN, posiblemente por su relación con la incorporación de H. También se ha comprobado que el uso de N2 como precursor en vez de NH3 mejora la calidad de la superficie de contacto SiN/AlGaN, reduciendo la densidad de carga fija en la interfase casi un orden de magnitud. Se ha obtenido un 20% menos de H enlazado en el SiN usando precursor de N2 respecto del contenido usando NH3. Por lo que todo indica que el contenido de H en las películas de SiN juega un papel destacado en el proceso de pasivación en los HEMT de AlGaN/GaN. Además, se ha analizado el uso de Ta2O5 como alternativa de pasivante, demostrando que éste proporciona una reducción en el grado de colapso y mejora el comportamiento en frecuencia, frente a otras alternativas como la bicapa SiO2/SiN o SiN. Por otra parte, gran parte del desarrollo de esta Tesis se ha dedicado al estudio de tratamientos previos al depósito de SiN, en especial, al tratamiento in situ basado en plasma de N2 (utilizando un sistema de PE-CVD). Los efectos de aplicar dicho tratamiento se han estudiado desde distintos puntos de vista: atendiendo a su impacto sobre la superficie del semiconductor (GaN o AlGaN/GaN), a la carga atrapada en la interfase GaN/SiN, y al comportamiento de los HEMT de AlGaN/GaN, tanto en régimen continuo, como pulsado, y en pequeña señal de RF. Este resultado constituye la principal contribución de esta Tesis al desarrollo tecnológico de los HEMT. Uno de los resultados más destacados es la mejora significativa del efecto del pasivante para mitigar los efectos de colapso, observado a través de las características eléctricas de los transistores HEMT de AlGaN/GaN al hacer uso de un pretratamiento de plasma de N2 a baja potencia, respecto del caso tradicional con sólo limpieza de orgánicos. En particular, se ha comprobado que dicho plasma de N2 es capaz de reducir drásticamente la densidad de trampas (con tiempos de respuesta ¿ 1 µs) en la zona activa de los transistores, responsables en gran medida de los efectos de colapso observados. Dicho resultado ha sido corroborado mediante medidas de iluminación en los transistores y medidas de conductancia y capacidad realizadas en estructuras MIS, donde se ha obtenido una reducción del 65% en la densidad de estados de intercara con el pretratamiento de plasma de N2. Este comportamiento se relaciona con una posible reducción en superficie de residuos de C y O, principalmente, detectado por espectroscopía de rayos X (XPS). Cabe destacar que además se ha conseguido una alta reproducibilidad en los resultados usando el pretratamiento con plasma. De esta manera se ha logrado un avance significativo en el proceso de fabricación de los transistores HEMT de AlGaN/GaN.